浅析基于UG NX的电子机箱三维布线设计

王 涛，王佳丽

(连云港杰瑞自动化有限公司，江苏 连云港 222000)

随着科技不断发展，当代社会已逐步向现代化、数字化、智能化大步挺进，各种电子设备层出不穷，而电子机箱在电子设备中起着十分重要的作用。一般传统电子机箱线缆的布局安装，往往都是前期结构设计人员凭借设计经验预留线缆位置，电装工人根据二维电气装配图按照实际情况现场规划管线路径，配做固定线缆的线夹孔、过线孔，再通过估测等手段预留线缆长度[1]。然而往往电装工人为了避免整根线缆报废，预留的线缆长度都会远远长于实际使用线缆的长度，最后无论把剩余的线缆剪掉或者将冗余线缆留在电子设备中，都会造成线缆的一定浪费。并且这种线缆的布局安装受电装工人的主观因素影响较大，可控性与同批次一致性都受影响，线缆很难达到合理布局。尤其在一些相对空间狭小，线路复杂的电子机箱中，如果不在前期方案设计阶段明确线缆布局路径，很可能直到最后的产品装配阶段才能发现问题，不得不通过返修甚至报废重做零件的方式来完成整个电子机箱的加工装配，造成了不必要的损失。通过前期三维布线技术就可以很好地解决上述问题。

1 三维布线技术优缺点及软件介绍

1.1 三维布线技术优点

三维布线技术优点如下：1)可以更好地优化前期方案设计阶段线缆布局，提高线缆布局的合理性；2)可以提供更加详细准确的方案模型，为最终产品交付提供可靠依据；3)可以更加准确地预估线缆长度，避免下料浪费，降低线缆使用成本；4)可以明确线缆布局，更加直观地指导生产，提高线缆装配效率；5)可以明确线缆路径、空间需求，降低结构件返修报废概率；6)可以增加同批次多件线缆布局的一致性，降低质量隐患。

三维布线技术缺点如下：对设计人员技术水平要求提高，除了需要掌握机械结构设计，还需要掌握相关电气技术。

1.2 三维布线软件

随着化工行业的快速发展、工厂建设规模的不断扩大，设计效率与加工效率已成为市场竞争的核心。传统的设计与生产模式已经很难满足行业对项目质量控制、进度监督管理和信息交换的需求。因此，三维模型设计软件应运而生。三维模型设计软件具有众多专业设计模块、强大的数据库，且可直观地发现设计中的错、漏、碰、缺等问题，保证了设计质量[2]。此外，三维模型设计软件还可在计算机上动态直观地展示出各单元装配完成后的实际效果，有利于决策者更客观准确地做出判断，进行施工控制及生产过程维护。现在国内常用的三维设计软件有Pro/E、SolidWorks、CATIA、3DMAX、UG NX等。这些三维设计软件都有自己的三维布线模块，每款三维软件也都有其自身的特点，适用于不同的设计领域，UG NX三维布线软件主要优势如下[3]。

1)易用性。UG NX软件各功能模块界面简洁易懂，利用易于定制/配置的用户界面，可以在短短一天时间内完成针对用户特定任务的培训。

2)功能强大。UG NX三维软件包含众多功能模块，可以针对非参几何体或者外部导入几何体直接进行修改，并且可以对后期模型进行更加深入的静态、动态分析。

3)便于加工。UG NX三维软件可以提供和第三方加工软件的集成接口来实现零部件的加工。

4)应用广泛。UG NX广泛应用于汽车、航空、国防、通用机械、电子和医疗等各个领域。

2 三维布线结构设计流程

三维布线设计一般流程如图1所示。

图1 三维布线设计一般流程

UG NX 11.0三维布线设计是在模型结构件装配完成后才开始进行的，模型组件的装配是三维布线设计的基础[4]。根据电气原理图，对所需要的电子元器件进行建模并定义其端口，然后在组件装配图的基础上放置电气元件，确定装配关系(在UG NX 11.0中有电子元件模型库，许多常用电子元件可以从模型库中直接选用)。创建线缆路径是三维布线设计中至关重要的一步，它决定了最终的线缆布局样式，最后再通过电气原理图指定元器件之间的连接关系，生成线缆，完成三维布线设计。

2.1 组件及电气元件的定义与放置

三维布线设计是建立在组件的定义和装配设计的基础上的，其具体操作与常规的三维建模装配过程相同，本文不再累述。

电气元件的定义是UG NX 11.0的“电气管线布置”应用模块下的基本功能之一，其管线部件类型中的连接件有“设备”“接头”“连接器”“模板装配”之分，可根据实际情况选择对应类型(见图2)。

图2 管线部件类型

在完成类型选择后才可以进行电气元件端口的建立。“端口”是设备与外界通信交流的出口，主要有单端口和多端口之分(见图3)。在定义端口时还可以同时定义线缆与端口的“接合长度”“延伸长度”以及“接线长度”。在定义接线多端口时，还需分别定义端口中每个接线的针脚[5]。

图3 电气元件端口定义

2.2 创建线缆路径

线缆路径直接决定了管线布局的最终状态，是三维布线结构设计中至关重要的一步，需要设计人员根据电气原理图以及组件装配图进行综合考虑，在保证线缆排布的一般原则如强弱电分开等的基础上，综合整个机构元器件之间的位置关系优化线缆路径，线缆路径设计所决定的最终管线布局状态直接对工人的线缆布施起指导作用[6]。

在UG NX 11.0中，线缆路径分为“样条路径”和“线性路径”，一般在相对简单的直线型线缆路径设计时可以选择“线性路径”，而当线缆路径较复杂时可选择“样条路径”(见图4)。

在使用“样条路径”进行设计时，可以同时预先设定其线缆的松弛状态和将要使用的线缆型材形状等。在设计布线路径时，可以借助三维模型中的过线孔、卡箍、线夹等结构特征的参考点进行排布，此外还应着重考虑线束的折弯半径、最小直线段长度等布线设计的工艺性要素[7]。

图4 线缆路径示意图

2.3 创建连接及指定元器件

在创建线缆连接(见图5)过程中可以赋予布线装配中所有接线器件的唯一位号，最终形成元件列表和接线列表，接线列表用于定义各个设备及接插件之间的针脚级的接线关系。此外，在创建线缆连接的过程中还可以定义每根线缆的规格、颜色等信息，如果UG NX 11.0自带的线缆数据库不满足使用需求，还可以对其进行设定，增加线缆类型[8]。

图5 创建连接示意图

2.4 线缆生成

UG NX 11.0只有通过元件列表和接线列表才能识别各个接线器件及其连接关系，如果说布线路径提供的是接线几何连接关系，那么元件列表和接线列表则提供的是接线逻辑连接关系。在布线装配时导入元件列表与接线列表文件，就可以批量定义所有接线器件的位号以及它们之间针脚级的接线关系。当接插件或接线关系有变化时，可以通过更新列表文件或直接在导航器中编辑进行修改。

接线器件与接线关系定义完成后，在UG NX 11.0中执行布线操作，系统会寻找路径中2个连接器端子间最短的路径自动生成线缆模型，对于同一路径中有多根线缆的情况，会自动形成线束模型(见图6)。

图6 自动生成线缆

对所有线缆路径自动生成线束操作后，线缆的三维模型设计就已基本完成，之后还可以对线缆模型进行后期编辑操作，例如设置线缆型材、护套、空间预留尺寸等[9]。

2.5 钉板图与布线报告

钉板图是三维线缆模型的平面拉直描述。典型的钉板图由线缆、元器件、注释信息和标签组成。注释信息通常包含元器件编号、线缆长度和直径、接插件针信号等[10]。

三维布线设计完成后，UG NX 11.0可提供详细布线报告信息，如：端口名称、连接关系、线缆长度等(见图7)。

图7 布线报告

3 对比分析

当三维布线模型完成后，通过对电子设备三维布线报告中线缆长度与最终实际布线长度做对比(见表1)，其中每一种线缆号只选取连接点中一个端子之间的线缆长度进行对比。

表1 三维布线报告线缆长度与实际布线长度对比表

由表1可知，三维布线报告线缆长度与实际布线长度存在一定的误差，分析主要原因有如下几点。

1)松弛长度设置的影响。两端子或连接器之间的线缆因为受重力及热胀冷缩影响，线缆长度并不是其两点之间的直线距离，而需要预留一定的余量，即松弛长度。因为线缆路径以及固定方式不同，线缆的松弛长度也会有一定的变化，这便导致了线缆长度误差的产生。

2)装配误差及端子“接合长度”“延伸长度”以及“接线长度”的影响。

a.接合长度是指两端子之间连接重合的长度。

b.延伸长度是指受线缆自身刚性以及折弯半径影响，线缆出端口后仍保持直线的部分。

c.接线长度是指线缆深入电子机箱内部的部分。

由于线缆的铺设最终仍是由电装人员通过手工完成的，其装配路径、接合长度、延伸长度、接线长度等都会存在无法避免的累计误差，这也成为了导致线缆误差产生的原因之一。

4 结语

本文对电子机箱三维布线设计的详细介绍可以为类似电子设备的三维布线设计提供参考。通过与实际线缆长度对比，可以得出三维布线的理论线缆长度与实际线缆长度误差比例约为5%，这不仅可以为相关产品的前期方案评审阶段提供更加详细准确的参考信息，而且还可以为后续生产装配提供更加准确的指导。三维布线技术因其自身的优势特点，在未来的电子设备前期方案设计中，会逐渐成为不可或缺的一部分。